路桥过渡段路基病害特征与处治技术

路桥过渡段路基病害特征与处治技术—楔型柔性搭板技术的应用实践讲授大纲★背景材料★病害特征★处治技术★相关研究★工程应用改革开放以来，我国的公路建设飞速发展，全国高速公路可达3万余公里，二级以上公路30万公里。但从已交付的高等级公路特别是高速公路来看，存在着一定问题。其中较为普遍的是，在桥台构筑物与台后填土衔接处存在差异沉降，使得路面形成台阶或显著的纵坡变化，高速行驶的车辆通过时产生颠簸跳跃，从而导致桥头跳车现象的产生，这种现象几乎在每条高速公路上都有，只是数量多少和程度轻重的差别。

背景材料亟待解决的难题

“桥头跳车”是公路中的常见病害,也是多年来困扰公路行业的一大难题。桥头跳车轻则使车辆通过时产生跳动,对桥梁和路面造成附加冲击,使司乘人员感到不适。严重的桥头跳车,尤其在高速公路上,不仅使行车的不适感大大增加,车速大幅降低,甚至导致车辆失控而发生交通事故。同时，对路桥过渡段路面的大量维修养护不仅花费大量人力、物力和财力,而且也产生了不良的社会影响。背景材料沪嘉高速公路在建成一年后即开始进行桥头引道沉降处理，六年共五次对大多数桥头进行处理，工程总费用982.6万元。杭甬高速通车以来，花费在桥头路面治理的费用也十分惊人。在美国，大约25%的路桥过渡段受到“桥头跳车”的影响，每年为此花费的维修费用预计在1亿美元以上。因此，桥头跳车病害已成为高速公路建设质量改善和提高的“拦路虎”，也是摆在各国工程技术人员面前的一大难题。背景材料

背景材料桥头跳车的表现形式有两种，一是桥头不设搭板时桥台与路堤衔接处的错台现象；二是桥头设置搭板时由于搭板路基端沉降引起的路桥过渡段纵坡变化。第一种形式，车速在60～140km/h时，台阶高度在1.5cm以上车辆行驶速度将受到影响，同时产生颠簸而形成跳车。第二种形式判定其严重与否的决定因素是搭板沉降前后的纵坡变化率。国内外多数根据现场行车调查确定搭板容许坡差，瑞典的标准是4‰，法国规定为3.8～6‰。一些行车调查表明，对90～100km/h的车速，搭板纵坡变化值在4～6‰以下时，不会影响行车舒适性。京石公路使用状况调查显示，60km/h的车速，桥头纵坡变化率在5‰以下时没有跳车感觉。

背景材料

就目前我国的公路建设水平，要想彻底解决桥头跳车现象是很困难的。但若采取一些行之有效的措施，使这一现象得以较大程度的缓解则是可以实现的。我们曾针对西南、西北地区（主要是云南、四川、陕西、甘肃等）具有代表性的高速公路进行了比较细致的调查研究工作，调研的主要线路：①四川省以达州为基点对重庆、成都方向的高速公路及210国道的路桥过渡段进行调研；②陕西省以西安市为基点对西宝、西铜、西临高速进行调研；③甘肃省以天巉、巉柳、柳忠、尹中、古永、白兰高速沿线路桥过渡段为重点；④云南省对昆玉、昆石、玉元、元磨及大保线进行了调研。

背景材料调研的主要内容：（1）线路名称、桥的里程。（2）桥台类型：重力式、轻型（桩柱式、肋板式）及其它类型。（3）填土类型及填筑方式：地基处理程度、压实度、工期及填土高度。（4）病害类型及破坏程度：整体侧向滑移、路堤与桥台间形成错台、地面凹陷、搭板断裂、搭板与路堤形成纵向坡度差等。（5）所采取的防治措施及相应的处治方法。

背景材料调研结果（1）：四川地处我国西南地区，高速公路多位于山岭重丘区，区内地质和地形条件复杂，地下、地表水丰富，沟谷切割剧烈。据钻孔调查发现已建成的桥台台背在处治前填土普遍存在以下问题：路段内台背填土的主要材料为块状泥岩夹土混合填料，碎石夹素填土，块状泥岩强度较高，但不易于压实，且未经很好处理的块状片石和土混合填料具有大空隙和局部架空结构。一旦浸水或在车辆振动荷载的长期作用下可能失稳，造成填方土体的不均匀沉降。该区桥台分重力式U型台和轻型台两种，其中重式U型台多为料石浆砌而成，基础多为弱风化基岩。台背填料为就近的碎石、块石和粘土混合料。轻型桥台为桩柱式桥台，地基一般为黄褐色粉质粘土，钻孔资料表明在注浆前桥头回填料的压实效果不是很好，回填段在处置前孔隙较多。

背景材料搭板未端形成错台。该桥路堤填土为碎石土，填高13m，重力式U型台，搭板长5m，基础为弱风化基岩，沥青混凝土路面，搭板末端出现3.5cm垂直错台。台背路面局部沉降较大。该桥为轻型台，地基为冲填土，台背换碎石、块石混合土，未设搭板，桥头有3cm不均匀沉降，最大沉降距桥台4m处。背景材料料调研结果果（2）：陕西地处处黄土高高原腹地地，西宝宝、西潼潼、西黄黄高速公公路大多多数路段段处在渭渭河左岸岸一级阶阶地上，，其上堆堆积着第第四纪新新黄土，，路基也也多以这这类黄土土填筑而而成，由由于黄土土地基的的湿陷性性沉陷、、地下水水较丰富富，软基基较多，，且部分分路段路路基施工工质量较较差，虽虽然采取取了许多多措施，，如注浆浆、混凝凝土桩置置换、路路面重铺铺等措施施但跳车车现象依依然严重重，至2005年3月月许多路路段相继继出现路路基沉陷陷、路面面变形开开裂、边边坡坍塌塌、桥台台背沉陷陷等病害害，严重重地影响响车辆的的正常行行驶。前前辙可鉴鉴，后车车之师，，对在建建或拟建建的高等等级公路路来讲，，十分需需要总结结经验教教训，提提高设计计、施工工技术水水平和工工程管理理水平，，以便减减少或减减轻桥台台背路基基沉陷病病害。背景材料料1.路路基沉降降及路面面下陷。。西宝高高速沣河河大桥为为轻型台台，台背背为黄土土，填高高5m，，距桥头头5m处处沉降达达30cm。2.路路基下沉沉搭板脱脱空。渭渭南大桥桥为轻型型台，搭搭板长6m，台台背为黄黄土，填填高2m，搭板板未端横横向裂缝缝2cm，搭腔腔板底部部脱空。。3.路路基沉降降搭板断断裂。西西宝高速速一小桥桥为U型型台，搭搭板长5m，填填土高5.5m，路基基下沉较较大引起起搭板断断裂。（1）（2）（3）背景材料料调研结果果（3）：甘肃多位位于陇西西黄土高高原，该该处以黄黄土梁峁峁地形为为主，多多为新黄黄土，浅浅黄色，，粉粒含含量较高高，结构构疏松，，土质均均一，不不显层理理，垂直直节理与与大孔隙隙十分发发育，具具强烈湿湿陷性。。侵蚀切切割严重重，梁峁峁之间冲冲沟较发发育，多多呈V形沟，，多呈树树枝状，，在黄土土丘陵前前缘斜坡坡地带黄黄土陷穴穴发育，，主要不不良地质质现象有有湿陷性性黄土、、黄土陷陷穴、软软土、滑滑坡和岩岩堆。由由于该区区段的地地下水水水位较低低，软基基对路基基的影响响不是主主要的因因素，但但由于该该路段的的黄土粉粉粒含量量较高，，结构疏疏松，强强度较低低，整体体性差，，而且具具有强烈烈湿陷性性，因此此，该区区除搭板板末端有有通常易易产生的的病害外外，病害害主要表表现为路路基的整整体破坏坏和路基基浸水后后局部过过量沉降降。背景材料料1.整整体侧向向剪切破破坏。天天巉二专专牛谷河河桥为轻轻型台，，地基为为黄土，，台背回回填砂粒粒及黄土土，填高高11m。出现现长15m宽1.5cm的圆圆弧裂缝缝，并有有3cm下沉,路基基整体有有侧向滑滑移趋势势。2.整整体横向向剪切破破坏。巉巉柳高速速太平沟沟桥为轻轻型台，，填高4m，台台背有20cm下沉，，护坡多多处开裂裂，填土土整体向向桥台滑滑移并有有横向剪剪切破坏坏。3.路路基局部部过量沉沉降。尹尹忠高速速立交桥桥为块砌砌U型台台，填高高8m，，板端有有15cm不不均匀沉沉降,并并在20m范围围形成纵纵向返坡坡。（3）（1）（2）背景材料料调研结果果（4）：云南高速速公路同同样多位位于山岭岭重丘区区，沟谷谷切割强强烈，地地表红粘粘土层较较薄，基基岩多为为石灰岩岩或泥岩岩，地下下水较丰丰富，地地质地形形条件复复杂。调调研的主主要线路路有昆玉玉、昆石石、玉元元、元磨磨及大保保高速公公路。该该地区在在路面进进行重铺铺后桥头头跳车现现象并不不十分明明显，但但从现场场的调查查看桥头头跳车现现象在路路面重铺铺前同样样比较普普遍，而而且路面面重铺后后病害的的隐患仍仍然存在在。背景材料料1.台台背过量量沉降引引起桥头头跳车。。昆石高高速k34+490桥桥，轻型型台，强强风化碎碎石夹土土回填，，填高6m，软软基路段段，虽路路面重铺铺，但可可看出台台背路面面下沉约约10cm。2.路基基局部不不均匀凹凹陷引起起跳车。。玉元高高速杨武武桥，重重力式U型台，，路堤为为强风化化碎石夹夹土回填填，填高高3m，，从开挖挖处看重重铺前有有8cm差异沉沉降，侧侧墙开裂裂0.5cm。。3.台背差差异沉降形形成错台引引起跳车，，大保高速速k3+300桥，，石砌重力力式U型台台，粗粒土土回填，填填高8m，，地基为基基岩，台背背有2cm差异沉降降。（3）（1）（2）病害特征1．路堤整整体滑移路堤的整体体侧向滑移移是指路堤堤边坡过陡陡或是受到到破坏后,在上部重重复荷载作作用下形成成纵向裂缝缝或沿破裂裂面整体下下滑。对于于桩柱式埋埋置式桥台台，台前的的土体基本本处于无侧侧限受压状状态。当锥锥坡受到破破坏，且在在自重和车车辆的冲击击荷载作用用下，土体体有向桥内内移动的趋趋势，形成成横向裂缝缝或整体下下滑，使得得桥头部位位的路基、、路面产生生较大的竖竖向位移，，从而引起起桥头跳车车。2．路基与与桥台间形形成台阶主要表现：：①局部沉沉降发生在在台背与过过渡段结合合处，即最最大沉降深深度D距离离桥台背很很近，形成成错台；②②路基整体体下沉，差差异沉降D达到一定定值时，引引起桥头跳跳车现象。。病害特征病害特征3．路面凹凹陷路面凹陷也也是一种常常见病害，，主要是由由于路堤或或地基的不不均匀沉沉降引起，，外部表现现特征是路路基沉降不不均匀，路路面破坏严严重、凹凸凸不平。此此模式的主主要特征是是：（1））过渡段内内的路基沉沉降不均，，路面出现现凹陷；（（2）沉降降的最大值值距桥台有有一定的距距离。病害特征4．搭板断断裂搭板断裂是是用搭板法法处理中产产生的一种种新病害。。破坏特征征主要表现现为：（1）路基发发生不均沉沉降，搭板板底部脱空空，沿脱空空区受力较较大的方向向发生断裂裂；（2））枕梁部分分及其以外外的路基沉沉降较小；；（3）搭搭板较薄，，不足以单单独承受上上部荷载。。病害特征5．搭板与与路堤形成成纵向坡度度差搭板在防止止桥头跳车车方面成功功的实例很很多，但也也有不足之之处，当路路堤沉降较较大或搭板板长度不够够，纵向坡坡差超过一一定范围时时，就会在在搭板与路路堤衔接处处产生转角角，形成“二次跳车”。主要特征征：（1）路基整整体沉降过过大；（2）搭板较较短不足使使桥台与路路基的差异异沉降平稳稳过渡；（（3）搭板板间一端简简支于桥台台。病害特征6．搭板末末端产生差差异沉降因我国桥头头跳车问题题比较突出出,故在设设计与施工工中都采取取一定措施施，如在设设置桥头搭搭板的同时时对搭板区区段路基进进行注浆处处理，这样样过渡段的的下沉固然然减小了，，但往往忽忽略了对搭搭板以外路路基的处理理与压实，，经过一段段时间的运运营后在这这一部位产产生差异沉沉降，形成成新的跳车车现象。发达国家由由于高速公公路起步早早，现有的的方法主要要是补救维维修。同时时，由于其其高速公路路的路堤填填土高度较较低，通道道数量较少少，且施工工周期较长长，所产生生的工后沉沉降较小，，相应产生生的危害就就小，处治治的思路与与处治费用用就会大不不一样。国国内也开展展了很多这这方面的研研究工作，，提出了一一些处治方方法，并在在工程中积积极推广应应用。但有有些方法处处治机理不不清，治标标不治本，，故有成功功的案例，，也不乏失失效的报道道。究其原原因，主要要是没有进进行系统的的研究，对对处治方法法的作用机机理和适应应性没有搞搞清楚，即即使立题研研究，也往往往投入较较少，只有有宏观调查查资料，而而缺少试验验分析结果果，现场测测试分析较较少。因此此，方法的的推广应用用就必然受受到限制。。处治技术路桥过渡段段桥台与路路堤两种材材料刚度的的较大差异异是产生桥桥头跳车的的客观因素素，同时设设计和施工工中的一些些不合理因因素也加剧剧了桥头跳跳车病害的的发生。桥桥台大多为为混凝土结结构或圬工工砌体，自自身变形量量可忽略不不计，桥台台的沉降主主要体现在在基础的沉沉降，而高高等级公路路的桥梁主主要以钻孔孔桩为主，，即使扩大大基础，也也建在很好好的地基上上，故桥台台沉降往往往很小。而而路堤沉降降则由地基基沉降和路路基压缩沉沉降两部分分组成。““桥头跳车车”主要是是由路堤沉沉降造成的的。处治技术路桥过渡段段路基沉降降包括路基基填土沉降降和路基下下地基沉降降两部分。。这时，路路基填土即即是荷载体体又是构造造体，桥头头段经处治治后之路基基填土不仅仅要减小路路基自身的的变形，更更重要的是是该填土体体还要适应应路基下地地基产生的的容许沉降降变形。路路基填土体体消化自身身的变形比比较容易，，而要消化化地基的变变形则比较较困难。因此，一种种处治方法法的适应性性评价实际际上就是研研究其消化化路基下地地基沉降变变形的能力力。处治技术桥头跳车处治方法处治思路处治方法减小路基压缩变形①提高路基填土的压实度②换填材料（砂砾石，碎石等）③挤密桩④加筋（土工网等）沉降过渡方法①桥头搭板②渐变桩③柔性桥台减少地基沉降①地基处理（粉喷桩，钢渣桩，超载预压，等等）②采用轻质材料填筑路基（粉煤灰,聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）和发泡珍珠岩等）路面处理①预设反向坡度②设置过渡段路面常用桥头跳跳车处治方方法一览处治技术从协调和控制制桥台与路路堤间差异异变形的目目的出发，，应用新型土土工合成材材料－土工工格室，自自主研发了了楔型柔性性搭板处治治技术。现现场试验和和沉降观测测结果表明明，楔型柔柔性搭板技技术协调桥桥头差异沉沉降作用明明显，是一一种成功的的处治桥头头跳车病害害的方法。。自主研发了了新的桥头头跳车处治治技术--楔型柔性搭搭板处治技术楔型柔性搭搭板：利用土工格格室与填料料构成的具具有强大侧侧向限制和和大刚度的的柔性结构构层，结合合台背联结结技术，形形成台后楔型加固体，即即能有效地地消除地基基沉降的影影响，又能能起到约束束路堤的侧侧向位移和和扩散荷载载、减小路路堤竖向位位移的作用用，从而达达到消除桥桥头跳车的的目的。处治技术重力式肋板式桩柱式楔型柔性搭搭板桥台与路堤堤刚度相差差悬殊，两两种材料在在各种内部部及外部因因素影响下下的变形差差异不可避避免。因此，要达达到消除桥桥头跳车的的目的，研研究桥台与与路堤之间间变形的协协调和控制制是研究处处治技术的的核心。相关研究相关研究到底这些方方法的适应应性如何，，如何评价价一些方法法的优劣，，针对这些些问题开展展深入系统统的研究，，对于保证证高速公路路车辆的交交通安全和和舒适行驶驶，提高高高速公路的的社会效益益、降低已已建高速公公路的养护护维修费用用、改善待待建高速公公路的质量量都具有十十分重要的的意义。项目共分8个研究专专题：1．路桥过过渡段路基基下地基沉沉降与沉降降模拟试验验系统研制制2．车辆振振动与冲击击荷载作用用性状与动动载模拟系系统研制3．路桥过过渡段路基基处治技术术的适应性性与作用机机理研究4．路桥过过渡段路基基填土动力力特性与相相关参数研研究5．路桥过过渡段路基基处治技术术的仿真与与优化6．路桥过过渡段路基基设计与计计算方法研研究7．路桥过过渡段路基基施工工艺艺与质量控控制体系研研究8．路桥过过渡段路基基病害治理理的适应性性研究相关研究研究技术路路线数值仿真与优化调研与资料收集动荷作用频度与作用强度地基沉降特征分析车辆动载模拟系统地基沉降模拟试验系统制定大比尺模型试验方案专家审议模型试验研究填土动力特性与相关参数研究设计与计算方法，施工工艺和质量控制体系实体工程病害治理适应性研究研究手段☆数值仿真软软件平台（（MARC)☆GDS动三三轴试验系系统☆车辆动载模模拟加载系系统☆小比例沉降降模型试验验箱☆大比例沉降降模拟试验验台☆现场试验测测试设备楔型加固体体的拓扑优优化验证在加固体布布置时，根根据工程实实践经验结结合感性认认识，采用用了倒梯形形的楔型加加固方式，，但缺乏相相应的理论论支撑。如如何将这种种设计由“感性”变为“理性”，基于连续续体的结构构优化原理理，应用拓拓扑优化理理论，认为为最合理的的加固方式式应是在一一定加固面面积约束条条件下实现现抵抗荷载载和变形能能力最强，，以此对路路桥过渡段段路基加固固体进行结结构布局优优化。拓扑优化考考虑体积约约束和结构构平衡方程程，以结构构的柔顺度度最小，即即刚度最大大为目标，，其得到的的最优拓扑扑抵抗变形形的能力最最强。即定定义结构柔柔顺度为拓拓扑优化函函数，将其其指定为目目标函数，，指定结构构的名义总总体积为约约束函数。。不同荷载作作用下的最最优拓扑图图50%（b）55%6m-10m-8m最优拓扑扑图6m-10m-10m最优拓拓扑图面力荷载体力荷载面力体力荷荷载55%60%65%60%